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Septembre 2012 Travaux Pratiques – SYST0004 1 Modélisation des Grands Systèmes

Septembre 2012 Travaux Pratiques – SYST0004 1 Modélisation des Grands Systèmes Chimiques Professeur Georges HEYEN Université de Liège, Année académique 2012-2013 Notes de Travaux Pratiques Laboratoire d’Analyse et Synthèse des Systèmes Chimiques Notes de TPs rédigées par Carine GERKENS, Alexandre LERUTH, Grégoire LEONARD Septembre 2012 Travaux Pratiques – SYST0004 2 Introduction Logiciels de simulation utilisés Au cours de ces Travaux Pratiques, nous utiliserons plusieurs logiciels permettant de construire et d’utiliser des modèles de procédés chimiques : Aspen Plus, Aspen Hysys et ValiEngineering (Belsim). Les logiciels ASPEN – Advanced System for Process ENgineering – sont conçus par AspenTech, entreprise basée au Massachusetts, USA. Fondée en 1981, AspenTech est née d’un projet de recherche commun entre l’institut de technologie du Massachusetts (MIT) et le département de l’Energie des Etats-Unis d’Amérique (DOE). Différents logiciels ont été conçus par AspenTech pour l’industrie des procédés, l’aidant à améliorer ses performances en matière d’objectifs opérationnels. Des modèles de simulation précis permettent en effet aux entreprises d’accroître l’efficacité et la rentabilité de leurs procédés. La gamme proposée par AspenTech comprend des logiciels de modélisation de tous types de procédés, de conception et d’évaluation d’échangeurs, d’analyse énergétique et systémique, d’évaluation économique, de développement de procédés et de supports opérationnels ainsi qu’une documentation détaillée pour chacun d’entre eux. Aspen Plus et Aspen Hysys sont les principaux logiciels d’AspenTech orientés génie des procédés. Aspen Plus est un outil de modélisation ayant trait à la conception, l’optimisation et le suivi des performances de la plupart des procédés industriels. Aspen Hysys est un outil de modélisation ayant notamment trait à la conception, à l’optimisation et au suivi des performances des procédés pétrochimiques (production, raffinage), gaziers et de séparation d’air. Nous utiliserons également les logiciels Vali de la société Belsim. Belsim est une entreprise belge, spin-off de l’Université de Liège issue du Laboratoire d’Analyse et de Synthèse des Systèmes Chimiques (LASSC). Elle est spécialisée dans la validation de données. La validation est une méthode de traitement et d’analyse des mesures réalisées dans un procédé. Elle vérifie la cohérence des mesures par rapport au modèle. Elle permet également de détecter et de corriger des erreurs, et d’évaluer les paramètres de performance du procédé. Vali désigne la batterie de logiciels de validation conçus par Belsim. Etude d’un procédé avec le logiciel Aspen Plus Nous aborderons tout d’abord par quelques exemples les fonctionnalités de base disponibles dans le logiciel Aspen Plus. En exploitant ensuite l'exemple d'une boucle de production d'ammoniac, nous illustrerons les concepts principaux discutés dans le cours théorique en faisant appel au logiciel d'analyse et de simulation de procédés chimiques Aspen Plus. Nous donnerons à l'ordinateur une description du procédé, le simulerons et étudierons sa réponse à des variations de conditions opératoires. Après avoir considéré le réacteur de façon isolée, nous l'intégrerons dans une séquence d'appareils (pompes, échangeurs, …), dont les conditions de fonctionnement seront variées au moyen d’une étude paramétrique. Les recyclages de matière et d'énergie seront traités par la méthode des coupures et le calcul séquentiel modulaire. La gestion des spécifications et les problèmes numériques de convergence seront abordés. Septembre 2012 Travaux Pratiques – SYST0004 3 Ensuite, la simulation de colonnes de distillation illustrera les techniques de résolution globale de grands systèmes d'équations. Les logiciels Aspen Plus et Hysys seront tous deux utilisés pour cet exemple. Pour terminer, nous examinerons le problème de la validation de données expérimentales qui nous permettra de vérifier la cohérence des mesures et d'identifier les paramètres d'une installation existante. Nous nous servirons pour cela du logiciel de validation de mesures BelsimVali. Déroulement des travaux pratiques Les travaux pratiques s’effectuent de manière indépendante en dehors des séances de TP. Les logiciels Aspen Plus et Hysys peuvent être installé sur vos ordinateurs personnels (CD d’installation à demander à l’assistant). L’objectif est d’assurer une bonne compréhension de la matière et des logiciels employés, tout en vous permettant de travailler à votre rythme. Toutes les trois semaines, vous recevrez les énoncés de trois exercices concernant les logiciels Aspen Plus et Hysys. La dernière partie concernant la validation de donnée sera organisée de façon plus classique et s’étalera sur les deux dernières séances de TPs. Les travaux pratiques seront structurés comme suit : - 1ère Partie : Introduction au logiciel Aspen Plus et simulation de séquences simples de procédés - 2ème Partie : Boucles dans un procédé et spécifications de design - 3ème Partie : Optimisation de procédés industriels, simulation de colonnes à distiller et introduction au logiciel Hysys. - 4ème Partie : Introduction à la validation de données et au logiciel Vali de Belsim. Par groupes de deux, vous devrez réaliser une application personnelle consécutive à chaque partie. Le rapport relatif à chaque partie devra être rendu en version papier au plus tard trois semaines après le TP. L’assistant sera à votre disposition pour répondre aux questions si nécessaire. L’objectif est de vous permettre de vous familiariser aux logiciels de simulation couramment employé dans le monde industriel tout en vous incitant à en explorer les nombreuses possibilités par vous-même. Ces rapports devront être rédigés en respectant les règles de l’art : introduction et conclusion, illustration graphique pertinente des phénomènes décrits, mise en page, orthographe, … Il s’agira de répondre aux questions posées en étant synthétique, sans ajouter de résultats inutiles et en gardant à l’esprit que les rapports seront corrigés par une personne qui connaît les énoncés. Septembre 2012 Travaux Pratiques – SYST0004 4 Exercice 1.1 : Echangeur de chaleur avec flash1 Notre premier procédé consistera en le refroidissement puis la séparation d’un flux d’hydrocarbures. Après refroidissement à 180°K dans un échangeur de chaleur, le flux subit une séparation de ses phases liquide et vapeur dans un séparateur flash comme représenté ci- dessous. Figure 1 : Schéma (flowsheet) de l’exercice 1 Simulation o Lancez l’interface du logiciel Aspen Plus V7.3.2 : o Tous les programmes/AspenTech/Process Modeling V7.3.2 /Aspen Plus /Aspen Plus V7.3.2. => Vous arrivez sur la page d’accueil du logiciel. o Sur la page d’accueil, ouvrez une nouvelle simulation (New). Choisissez un modèle (template) de type User, « General with metric units » (Unités SI avec degrés Celsius et bar). o Vous arrivez sur l’interface du logiciel, composée de deux parties principales: Properties et Simulation. o Choisissez l’interface Simulation en bas à gauche de votre écran. Nous reviendrons aux propriétés par la suite. o Le premier travail à effectuer est celui de la conception du Flowsheet ou « Process Flow Diagram (PFD) », le schéma du procédé. Pour ce faire, il faut dessiner les différentes unités (ou blocs, correspondant aux appareils et aux opérations à réaliser) et les relier par des flux (correspondants aux échanges de matière et d'énergie entre les unités et vers l'environnement). o Utilisez la palette de modèles en bas de votre écran pour insérer les blocs Heater (Heat exchangers) et Flash2 (Separators). o Positionnez les deux blocs sur votre schéma. Une fois les blocs placés, la touche Escape vous permet de retrouver un curseur normal. o Définissez les flux de matière nécessaires au procédé. Pour cela, cliquez dans la palette des modèles sur l’option Material streams. A ce moment apparaissent en rouge sur le schéma les flux de matière qui doivent être nécessairement reliés à chacun des blocs, i.e. à chacune des opérations unitaires. En bleu, les flux de matière possibles mais non 1 Les exercices 1.1 et 1.2 proposés dans ces notes sont librement inspirés du 3ème TP de Technique des Procédés donné à l’Université Technique de Munich par le Pr. J. Stichlmair, année 2007-2008. HTX FLASH 1 2 3 4 Septembre 2012 Travaux Pratiques – SYST0004 5 nécessaires. En reliant des flux d’un bloc à un autre, ils seront automatiquement définis comme flux d’entrée et/ou de sortie. o Reliez les blocs comme indiqué à la figure 1. Attention à bien sélectionner les flèches rouges du schéma pour que le lien entre le flux et le bloc soit bien établi. o Une fois le schéma terminé, revenez à l’interface Properties du procédé en bas à gauche de votre écran. Le panneau de navigation sur la gauche de votre écran vous aide à connaître les éléments nécessaires à compléter avant de démarrer la simulation. Les ronds rouges et blancs indiquent que des données doivent encore être fournies. En navigant au moyen de l’explorateur sur votre gauche, encodez les composants du procédé. o Tapez le nom que vous souhaiter donner aux composés dans la case « Component ID ». La plupart du temps, entrer le nom anglais du composant suffit à ce qu’Aspen Plus le reconnaisse et affiche son nom et sa formule. Si ce n’est pas le cas, utilisez l’option de recherche Find pour trouver toute substance sur base de son nom commun, de son numéro CAS ou de sa formule brute. o Les 4 composés à encoder sont les suivants: méthane, éthane, propane, n-butane. o Dans l’onglet Methods du navigateur sur la gauche de l’écran, vous pouvez définir la méthode thermodynamique de base à utiliser pour le calcul des propriétés. Choisissez le modèle de contribution de groupes Unifac comme modèle thermodynamique. Nous ne rentrerons pas uploads/Management/ tpaspen-complet.pdf